預(yù)熱器窯煅燒黑滑石的半工業(yè)化試驗(yàn)與工藝設(shè)計(jì)

俞為民，李小燕，彭學(xué)平，陳昌華

（天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400）

【試驗(yàn)研究】

預(yù)熱器窯煅燒黑滑石的半工業(yè)化試驗(yàn)與工藝設(shè)計(jì)

俞為民，李小燕，彭學(xué)平，陳昌華

（天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400）

利用模擬新型干法水泥熟料生產(chǎn)的預(yù)熱器窯熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了煅燒黑滑石的試驗(yàn)。對(duì)煅燒后產(chǎn)品的白度、化學(xué)成分和礦物成分進(jìn)行了分析，并與輪窯煅燒后的產(chǎn)品進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，黑滑石經(jīng)預(yù)熱器窯煅燒后，產(chǎn)品可以滿足市場(chǎng)上對(duì)滑石產(chǎn)品的白度需求。針對(duì)預(yù)熱器窯煅燒黑滑石面臨的問題及可能的解決措施，提出了生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì)方案。

黑滑石；預(yù)熱器窯；增白；礦物成分；工藝設(shè)計(jì)

1 前言

我國滑石礦產(chǎn)資源豐富，15個(gè)省區(qū)發(fā)現(xiàn)有不同儲(chǔ)量和品質(zhì)的滑石，儲(chǔ)量較大的有遼寧、山東、江西、廣西、青海等省區(qū)，擁有全國滑石儲(chǔ)量的90%以上。盡管我國滑石儲(chǔ)量大、分布廣，但以中低品位滑石居多，優(yōu)質(zhì)白滑石(白度85以上，燒失量8.5%以下)占滑石總儲(chǔ)量30%以下，高品級(jí)的滑石在各地已出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。與白滑石相比，我國黑滑石資源相當(dāng)豐富，江西的滑石資源主要為黑滑石。據(jù)江西省國土廳2009年最新勘測(cè)結(jié)果表明，江西上饒市廣豐縣境內(nèi)，黑滑石礦體斷續(xù)延長(zhǎng)20km，儲(chǔ)量達(dá)10億t以上，儲(chǔ)量之大居世界之首，而開采量尚不足1 000萬t。

黑滑石是對(duì)黑色、灰黑色滑石的統(tǒng)稱，內(nèi)含有機(jī)碳是其致黑的主要原因。黑滑石經(jīng)增白后是難得的優(yōu)質(zhì)原料，學(xué)者們做了不少增白改性研究，包括化學(xué)增白和煅燒增白兩種方法，以增加黑滑石的附加值。研究發(fā)現(xiàn)，很多情況下化學(xué)漂白增加黑滑石白度的效果非常有限[1-2]。煅燒增白是指在高溫條件下，礦樣中有機(jī)碳受熱氧化揮發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)白度的增加。煅燒溫度和時(shí)間、物料粒徑等都與白度有關(guān)[2]。

目前黑滑石煅燒多采用輪窯，黑滑石礦經(jīng)破碎后采用壓磚機(jī)成型為黑滑石磚，并將煤粉制成蜂窩煤，繼而人工將黑滑石磚和蜂窩煤搬運(yùn)入窯，間隔布磚布煤，煅燒結(jié)束之后，用破碎機(jī)破碎白滑石磚成為產(chǎn)品。一般窯內(nèi)煅燒時(shí)間是8～10h，之后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷白滑石磚的燒透程度而保溫不同時(shí)間，短則2～3天，長(zhǎng)則10天。由于窯內(nèi)溫度分布不均，成品白滑石磚質(zhì)量差別較大，需要人工將次品磚選出。該生產(chǎn)工藝及使用的設(shè)備較為落后，同時(shí)黑滑石煅燒過程中產(chǎn)生的SO2氣體未采取任何治理措施直接排放，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成極大的污染。

2 黑滑石的煅燒增白試驗(yàn)

2.1 原料

試驗(yàn)所用黑滑石取自上饒市廣豐縣，其化學(xué)成分分析見表1。黑滑石原礦的自然白度經(jīng)測(cè)定僅為10.3，黑滑石全碳含量是2.48%，包含碳酸鹽碳和有機(jī)碳兩部分。根據(jù)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法》檢測(cè)可得黑滑石中有機(jī)碳含量為0.68%。經(jīng)X-射線衍射儀(XRD)分析，黑滑石樣品的礦物組成主要包括滑石、石英、白云石。

表1 黑滑石樣品的化學(xué)成分分析

圖1黑滑石的SEM照片顯示，黑滑石晶體呈鱗片狀或羽毛狀集合體，單晶大小相近，在0.1～0.5μm之間。

圖1 黑滑石粉末的掃描電鏡照片

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

我公司依據(jù)新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，自行研制的預(yù)熱器窯熱態(tài)模擬試驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)熟料生產(chǎn)能力300kg/h，包括五級(jí)預(yù)熱器、φ0.9m×8m回轉(zhuǎn)窯及φ0.5m×2.3m單筒冷卻機(jī)，窯頭采用燃油燃燒器。該試驗(yàn)平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)反映工況參數(shù)，經(jīng)常被用于系統(tǒng)研究水泥熟料的生產(chǎn)技術(shù)，在本工作中用于黑滑石煅燒的實(shí)驗(yàn)。該試驗(yàn)平臺(tái)的工藝流程圖見圖2。

該預(yù)熱器系統(tǒng)是由5級(jí)旋風(fēng)筒(包括連接管道)的熱交換單元串聯(lián)組合而成，從上面開始排列旋風(fēng)筒級(jí)別，如最上面一級(jí)代號(hào)為C1。試驗(yàn)過程中，黑滑石由C2-C1之間的連接管道喂入，與出窯熱煙氣進(jìn)行逆流換熱，依次經(jīng)過C1、C2、C3、C4和C5。物料經(jīng)過五級(jí)預(yù)熱器預(yù)熱后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行煅燒成為白滑石，白滑石出窯后采用單筒冷卻機(jī)進(jìn)行冷卻。

2.3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

圖2 熱模系統(tǒng)工藝流程

采用我公司TRM3.6輥式磨將黑滑石原料粉磨至80μm篩余8%～10%。在窯尾煙室溫度達(dá)到500～600℃開始投料，窯頭火焰溫度控制在1 200～1 300℃左右，窯速：1～1.2rpm。表2給出了黑滑石煅燒后產(chǎn)品的化學(xué)成分分析結(jié)果。煅燒后產(chǎn)品編號(hào)對(duì)應(yīng)取樣時(shí)間，如1310對(duì)應(yīng)13時(shí)10分取樣，下同。煅燒后所有產(chǎn)品的白度都超過了85，最高白度達(dá)到了89.6，基本可以滿足市場(chǎng)上對(duì)滑石產(chǎn)品的白度需求。煅燒前黑滑石全碳含量為2.48%，煅燒后滑石產(chǎn)品全碳含量介于0.02%～0.04%之間，說明煅燒過程中絕大部分碳酸鹽發(fā)生分解，而有機(jī)碳也基本燃燒完全。黑滑石煅燒前SO3含量為0.17%，煅燒后滑石SO3含量很低或者為零，這說明黑滑石煅燒過程中會(huì)有SO2氣體產(chǎn)生，與之相關(guān)的脫硫問題和排放引起的環(huán)保問題需要慎重考慮。

表2 黑滑石煅燒后產(chǎn)品的化學(xué)成分分析(%)

圖3為我公司熱模系統(tǒng)煅燒得到的白滑石粉料(圖3a)和江西廣豐某廠輪窯煅燒得到的白滑石磚(圖3b)的XRD圖譜。熱模系統(tǒng)煅燒后產(chǎn)品的主晶相為硅酸鎂、鈣和鎂的硅酸鹽固溶體、二氧化硅以四方相和六方相存在。熱模系統(tǒng)和輪窯煅燒黑滑石得到的產(chǎn)品的XRD圖譜基本一致。使用江西廣豐該廠生產(chǎn)的白滑石磚做原料的陶瓷生產(chǎn)廠家也證實(shí)了，經(jīng)過我公司熱模系統(tǒng)煅燒得到的白滑石粉料能夠滿足陶瓷工業(yè)的需要。

3 黑滑石煅燒生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)熱器系統(tǒng)

圖3 煅燒后產(chǎn)品的XRD圖譜

采用預(yù)熱器窯系統(tǒng)進(jìn)行黑滑石煅燒，黑滑石中存在的有機(jī)碳會(huì)在預(yù)熱器中燃燒導(dǎo)致預(yù)熱器局部過熱，可能造成預(yù)熱器堵塞，同時(shí)也有可能造成預(yù)熱器收塵困難，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。我公司多年來在處理帶可燃物的原料煅燒水泥的預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面積累了廣泛的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 黑滑石煅燒生產(chǎn)工藝流程

圖4 為黑滑石煅燒生產(chǎn)工藝流程圖。由黑滑石自燃爐、燃燒爐和五級(jí)旋風(fēng)筒組成一個(gè)預(yù)熱器系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)黑滑石煅燒前的預(yù)熱和可燃物燃燒。該系統(tǒng)中喂料點(diǎn)比較靈活，黑滑石可喂入第一級(jí)旋風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)管，實(shí)現(xiàn)五級(jí)預(yù)熱器換熱；也可以喂入第二級(jí)旋風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)管，實(shí)現(xiàn)四級(jí)預(yù)熱器換熱。燃燒爐可以通過燃燒爐燃燒器引入燃料，調(diào)節(jié)燃燒爐內(nèi)的溫度；也可以不引入燃料。該預(yù)熱器系統(tǒng)充分考慮到黑滑石中可燃物燃燒放熱的特點(diǎn)，煅燒后產(chǎn)品進(jìn)入回轉(zhuǎn)式冷卻機(jī)進(jìn)行冷卻，冷卻機(jī)出口設(shè)有篩分破碎機(jī)，出破碎機(jī)的白滑石經(jīng)進(jìn)行打散分級(jí)，再采用除鐵裝置去除散狀產(chǎn)品中的鐵質(zhì)，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品白度。為了保證最終產(chǎn)品的白度，采用天燃?xì)庾鳛殪褵诨娜剂稀?/p>

3.2 廢氣處理

黑滑石硫含量較高，煅燒過程中預(yù)熱器C1出口高溫氣體中SO2氣體濃度較高，對(duì)后續(xù)的廢氣處理工藝提出了挑戰(zhàn)。若采用增濕塔降溫，煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增加會(huì)使酸露點(diǎn)溫度升高，可能在設(shè)備內(nèi)壁產(chǎn)生酸腐蝕?？梢酝ㄟ^空氣冷卻器或者熱交換器來降低出預(yù)熱器廢氣溫度。同時(shí)也不能使廢氣溫度降低過多，如果廢氣溫度低于酸露點(diǎn)，則會(huì)在袋收塵器內(nèi)發(fā)生結(jié)露腐蝕，必要時(shí)可對(duì)收塵器進(jìn)行外保溫處理。如果摻入冷風(fēng)來降低窯尾廢氣溫度，高溫風(fēng)機(jī)、收塵器、窯尾排風(fēng)機(jī)等的規(guī)格需要相應(yīng)加大。設(shè)計(jì)上，采用在窯尾排風(fēng)機(jī)后設(shè)置噴淋吸收塔作為吸收設(shè)備、石灰石作為脫硫劑的石灰石—石膏濕法脫硫工藝對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫處理。煙氣由收塵器除塵后經(jīng)窯尾排風(fēng)機(jī)進(jìn)入噴淋塔，與噴淋層的脫硫液逆流接觸充分反應(yīng)后去除煙氣中的SO2。經(jīng)脫硫處理后煙氣中SO2的排放濃度≤200mg/Nm3，符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 其他

黑滑石粉磨和處理過程要嚴(yán)格避免鐵的引入，從而減輕對(duì)煅燒后產(chǎn)物白度的不利影響。

4 結(jié)論

經(jīng)過熱模系統(tǒng)試驗(yàn)證實(shí)了，利用帶預(yù)熱器的回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)來煅燒黑滑石，從而使產(chǎn)品達(dá)到理想的白度，這種工藝是可行的。試驗(yàn)過程中將黑滑石粉磨成80μm篩余8%～10%的粉末喂入預(yù)熱器系統(tǒng)預(yù)熱后再經(jīng)回轉(zhuǎn)窯煅燒，經(jīng)過摸索和調(diào)整熱工參數(shù)，產(chǎn)品白度均超過了85，可以滿足市場(chǎng)上對(duì)滑石產(chǎn)品的白度需求。

針對(duì)黑滑石中可燃物燃燒放熱的特點(diǎn)，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中由黑滑石自燃爐、燃燒爐和五級(jí)旋風(fēng)筒組成一個(gè)預(yù)熱器系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)黑滑石煅燒前的預(yù)熱和可燃物燃燒。通過空氣冷卻器或者熱交換器降低窯尾廢氣溫度，煙氣由收塵器除塵后經(jīng)窯尾排風(fēng)機(jī)進(jìn)入廢氣脫硫環(huán)節(jié)，經(jīng)脫硫處理后煙氣中SO2濃度符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求。采用天燃?xì)庾鳛殪褵诨娜剂稀?/p>

與目前輪窯煅燒黑滑石工藝相比，采用預(yù)熱器系統(tǒng)預(yù)熱及回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝，大大縮短了煅燒時(shí)間，顯著提高了生產(chǎn)能力，改善了白滑石的品級(jí)；能夠?qū)ε欧艔U氣進(jìn)行處理，達(dá)到國家環(huán)保要求；采用干法粉磨，工藝先進(jìn)；自動(dòng)化程度高，參數(shù)可測(cè)可控。

[1]陳正國，邸素梅，祝強(qiáng).廣豐黑滑石的增白試驗(yàn)及致黑機(jī)理探討[J].非金屬礦，1993(6)：6-8.

[2]許芳芳，李金洪，王宇才.江西廣豐黑滑石煅燒增白及物相變化特征[J].非金屬礦，2010，33(6)：15-17，60.

TD985；P619.253

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1007-9386(2014)01-0029-03

2013-10-15